矿用900mm轨距38kg/m钢轨预应力混凝土枕的设计

宋立国

（中铁十四局集团房桥有限公司，北京102400）

1 引言

河北省唐山市及唐山市周边存在许多的铁矿厂，如迁安、迁西，遵化等地区，包括滦南马城最近发现的一个较大规模的铁矿厂，这些铁矿厂多采用900mm 轨距的非预应力钢筋混凝土枕，但随着科技的进步，采矿能力的提升，这种非预应力钢筋混凝土枕已经不能满足承重要求，发生了大量的破坏和裂缝，增加了运营和维护成本，并且存在着严重的安全隐患。唐山分公司为了解决这一现状，并结合自己混凝土构件的丰富预制经验，设计了这种900mm 预应力混凝土矿用轨枕，通过对混凝土枕施加预应力，可以增强其抗压抗折能力，从而提高混凝土轨枕的使用寿命，并且能够减轻混凝土的质量，方便其施工，并能满足其各方面力学性能。

2 结构尺寸和计算条件

马兰庄矿山铁路使用的电力机车的运行速度为3m/s，地下矿山铁路的弯道数量很多。考虑到与铁路线性部分相比弯曲部分的复杂特性，该设计采用了肩枕的形式。此次设计的900mm 预应力矿用轨枕各部尺寸如图1 所示。轨下：高度为129.4mm，上部宽度为157.7mm，下步宽度为190mm；轨中：高度为120mm，上部宽度160mm，下部宽度190mm；承轨部位：长度为305mm，并采用1∶40 的坡度设计，预留孔上空直径45mm，预留孔中心距轨槽板坡底脚间距为45.5mm；轨枕全长1600mm；总质量98kg，设计轨距为900mm。采用预应力钢丝为4φ7mm 高强度螺旋肋钢丝，为加强其性能，加装7 个φ6mm 封闭式箍筋。钢轨类型为P38 钢轨，扣件类型为70 型弹条扣件。

图1 矿用预应力混凝土枕外形尺寸（单位：mm）

唐山分公司目前生产的轨枕产品型号为XII、IIIA、XIIIQ以及一般线路岔枕，双块式轨枕、和重载埋入式长针等，这些轨枕均采用流水线作业形式，混凝土强度等级为C60，生产效率较高，日产能达1 500 根，故此次设计矿用轨枕也采用C60混凝土，出池强度达到其设计强度的75%，即45MPa 时方可出池，从而进行下一道工序，重复生产[1]。

3 设计荷载的计算

3.1 轨下承载部位的垂直压力

在轨道承重部分之下的垂直压力开采领域中使用的电力机车的质量为14t，矿车的满载质量为19.7t。计算负载在最不利的位置确定。

轨下承载部位的垂直压力Rd为：

式中，γ 为轮重分配系数，一般取γ≤0.5，这里取最大值0.5；α为综合动载系数，重载轨道为1.5，其他轨道为1.0，这里取1.0；P0为静轮重即 60kN，代入数据得 Rd＝60kN。

3.2 轨枕截面的正负弯矩

根据枕下与枕中道床支承反力图（见图2），计算矿枕截面的正负弯矩。

图2 枕下道床支承反力（单位：mm）

3.2.1 轨下截面的正弯矩

轨下截面道床支承反力见图2a。

3.2.2 枕中截面负弯矩

轨中截面道床支承反力见图2b。

首先计算枕底反力 q：60kN×2＝（0.625m×2）q＋0.35m（0.75q），则 q＝78.87kN/m。

枕中截面负弯矩：

另经计算验证，轨枕下面道床顶面受到的压应力为：

式中，σ2为压应力；S底为底面截面积之和。

代入数据得 σ2=0.39MPa＜[σ2]=0.5MPa（[σ2]为道床顶面允许压应力）。

4 材料力学相关参数

矿用预应力混凝土枕设计强度为C60，放张脱模强度45MPa；

预应力钢丝采用高强螺旋肋钢丝，直径φ7mm；

5 静载抗裂弯矩计算

在机车运行过程中，轨下直接受力，承受正弯矩，向下弯曲，而轨中截面产生负弯矩，向上弯曲，因此，应对该轨枕的轨下与轨中分别进行正负弯矩计算。

5.1 轨下截面静载抗裂正弯矩

轨下截面尺寸如图3 所示。

经计算，预应力钢筋总截面面积：Ag=154mm2。钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值构件换算截面积构件换算截面积（A0）为 23 204.6mm3，截面静矩（S0）为1 179 617.93mm3。

换算截面形心至截面下边缘的距离y下=S0/A0=50.83mm。

偏心距 e0＝50.83mm-50mm＝0.83mm（50mm 为型心中心）。计算得：

惯性矩 I0＝26 440 492.1mm4

有效预应力 σpe＝（1036-100）N/mm2＝936N/mm2

Npe＝936N/mm2×154mm2=144 174.8N

截面下边缘由预应力产生的混凝土法向应力：

轨下截面抗裂弯矩Mcr=（σpc+1.75ftk）W0（ftk为混凝土轴心抗压标准值，截面受检边缘的弹性抵抗矩W0＝5 602 284mm3）。计算得 Mcr=10.17kN·m。

5.2 轨中截面静载抗裂负弯矩

轨中截面尺寸如图4 所示。

图3 轨下截面（单位：mm）

图4 枕中截面图（单位：mm）

预应力钢筋总截面积：Ag=154mm2。钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值构件换算截面积构件换算截面积（A0）21 708mm2，截面静矩（S0）1 019 420mm3。

y下=S0/A0=46.96mm

e0＝46.96mm-50mm＝-3.04mm

I0=21 947 191.91mm4

法向应力

5.3 检验荷载的确定

根据TB/1879—2002《混凝土轨枕静载抗裂试验方法》的规定，检验荷载 F 与检验弯矩 Mcr的关系为：F＝7．273Mcr。同时根据MT/T375.3—1994《矿用菱镁混凝土制品》考虑静载支点间距 L轨下=280mm，L轨中=680mm，最终的静载抗裂检验值确定为：F轨下＝87.28kN，F枕中＝24kN。

疲劳试验最大荷载值取为：Fmax＝1．05F，经计算，轨下截面疲劳试验最大荷载为91.64kN；枕中截面疲劳试验最大荷载25.2kN，均满足要求[2]。

6 破坏设计承载力计算

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，在满足截面疲劳承载力设计前提下，其承载力强度安全系数都在2.0 以上，满足使用中轨下110kN，轨中25kN。

7 结语

为了满足不断增长的采矿领域需求，这次设计了采矿轨道。重新设计了轨枕，并将原来的钢筋混凝土轨枕更改为预应力混凝土轨枕。它的优点主要体现在以下几点：

1）可以大大提高轨枕的实际承载能力，使矿井的运输效率提高50%；

2）和之前的非预应力混凝土矿枕相比，此次设计的矿枕截面尺寸更小，质量更轻，方便施工，还能节约成本。

由于对混凝土枕施加了预应力，其各方面力学性能均高于前者，使用寿命更长，维护保养费用更低。